JP6698965B1 - Semiconductor device, power converter, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
半導体装置（５０）は、半導体素子（１０）と、封止樹脂（２）と、金属ベース板（３）と、冷却構造体（４）と、第１シール部材（６）とを備える。金属ベース板（３）は、第１ベース部（３１）と第２ベース部（３２）とを含む。第１ベース部（３１）は、第１部分（３１１）と第２部分（３１２）とを有する。第２ベース部（３２）は、第２部分（３１２）よりも内側に凹んでいる。封止樹脂（２）は、第１部分（３１１）と冷却構造体（４）とが向かい合う領域に入り込む。第２ベース部（３２）は、周壁部（４２）に向かい合う側面（３２ｓ）を含む。周壁部（４２）は、側面（３２ｓ）に向かい合う内壁（４２ｉ）を含む。第１シール部材（６）は、周壁部（４２）の全周にわたって側面（３２ｓ）と内壁（４２ｉ）との間の隙間を封止している。The semiconductor device (50) includes a semiconductor element (10), a sealing resin (2), a metal base plate (3), a cooling structure (4), and a first seal member (6). The metal base plate (3) includes a first base portion (31) and a second base portion (32). The first base portion (31) has a first portion (311) and a second portion (312). The second base portion (32) is recessed more inward than the second portion (312). The sealing resin (2) enters the area where the first portion (311) and the cooling structure (4) face each other. The second base portion (32) includes a side surface (32s) facing the peripheral wall portion (42). The peripheral wall portion (42) includes an inner wall (42i) facing the side surface (32s). The first seal member (6) seals the gap between the side surface (32s) and the inner wall (42i) over the entire circumference of the peripheral wall portion (42).
Description
本発明は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a method for manufacturing a semiconductor device.
従来、例えば特開２０１６−４６３５６号公報（特許文献１）には、放熱板のフィンが冷却構造体の中に挿入され、冷却構造体の中の冷媒と接触することで放熱性能を得られる半導体装置が記載されている。この半導体装置では、放熱板は、冷却器の上にパッキンを挟み込んだ状態で上からねじ留めによって押しつけられている。また、上から押しつけられたパッキンは、冷媒が冷却器から漏れ出すことを抑制している。 Conventionally, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-46356 (Patent Document 1), a semiconductor in which a fin of a heat dissipation plate is inserted into a cooling structure and comes into contact with a refrigerant in the cooling structure to obtain heat dissipation performance The device is described. In this semiconductor device, the heat radiating plate is pressed from above with screws while sandwiching the packing on the cooler. Moreover, the packing pressed from above suppresses the refrigerant from leaking out from the cooler.
上記公報に記載された半導体装置においては、放熱板（金属ベース板）がパッキン（シール部材）を上からねじ留めによって押しつけることで、冷却器（冷却構造体）の中に収容された液体の冷媒が漏れることを抑制している。繰り返しの温度変化および振動などによってねじ留め部分が緩んでくる場合がある。これにより、パッキン（シール部材）と放熱板（金属ベース板）または冷却器（冷却構造体）との間に隙間が生じるため、この隙間を通じて冷媒が冷却器（冷却構造体）から漏れる。 In the semiconductor device described in the above publication, the heat sink (metal base plate) presses the packing (sealing member) from above by screwing, so that the liquid refrigerant contained in the cooler (cooling structure). Are prevented from leaking. The screwed part may become loose due to repeated temperature changes and vibrations. As a result, a gap is created between the packing (seal member) and the radiator plate (metal base plate) or the cooler (cooling structure), and the refrigerant leaks from the cooler (cooling structure) through this gap.
また、上記公報に記載された半導体装置においては、半導体素子と放熱板（金属ベース板）とがトランスファーモールド法によって封止樹脂で封止されている。しかしながら、封止樹脂が長期使用により放熱板（金属ベース板）から剥離する。 Further, in the semiconductor device described in the above publication, the semiconductor element and the heat dissipation plate (metal base plate) are sealed with a sealing resin by a transfer molding method. However, the sealing resin peels off from the heat dissipation plate (metal base plate) due to long-term use.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷媒が冷却構造体から漏れることを抑制でき、かつ封止樹脂が金属ベース板から剥離することを抑制できる半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a semiconductor device capable of suppressing leakage of a refrigerant from a cooling structure, and suppressing peeling of a sealing resin from a metal base plate. A method for manufacturing a power conversion device and a semiconductor device is provided.
本発明の半導体装置は、半導体素子と、封止樹脂と、金属ベース板と、冷却構造体と、冷媒と、第１シール部材とを備える。封止樹脂は、半導体素子を封止する。金属ベース板は、第１ベース部と第２ベース部とを含む。第１ベース部は、第１部分と第２部分とを有する。第１部分は、封止樹脂で封止されている。第２部分は、第１部分に対して半導体素子と反対側に配置され、第１部分より凹み、かつ封止樹脂から露出する露出面を有するように封止樹脂で封止されている。第２ベース部は、第１ベース部の第２部分に対して第１部分と反対側に配置されかつ第２部分よりも内側に凹んでいる。冷却構造体は、周壁部を含む。周壁部には第２ベース部が挿入される開口部が設けられている。周壁部は、開口部に連通する内部空間を取り囲んでいる。冷媒は、冷却構造体の内部空間に収容される。第１シール部材は、冷媒より開口部の近くに配置される。第１シール部材は、金属ベース板の第２ベース部と冷却構造体の周壁部との間の隙間を封止する。封止樹脂は、第１部分と冷却構造体とが向かい合う領域に入り込む。金属ベース板の第２ベース部は、第２部分の露出面から第１部分と反対側に突き出し、冷却構造体の内部空間に挿入されている。金属ベース板の第２ベース部は、周壁部に向かい合う側面を含む。冷却構造体の周壁部は、金属ベース板の第２ベース部の側面に向かい合う内壁を含む。第１シール部材は、周壁部の全周にわたって側面と内壁との間の隙間を封止している。半導体装置は、第２シール部材をさらに備える。第２シール部材は、露出面と冷却構造体とが向かい合う領域に配置されている。第２ベース部は、根元部と、先端部とを含む。根元部は、第２部分に対して第１部分と反対側に配置されている。根元部は、第２部分より内側に凹んでいる。先端部は、根元部に対して第２部分と反対側に配置されている。第２シール部材は、根元部の全周にわたって露出面と冷却構造体との間の隙間を封止している。第１シール部材は、周壁部の全周にわたって先端部の側面と内壁との間の隙間を封止している。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element, a sealing resin, a metal base plate, a cooling structure, a coolant, and a first seal member. The sealing resin seals the semiconductor element. The metal base plate includes a first base portion and a second base portion. The first base portion has a first portion and a second portion. The first portion is sealed with a sealing resin. The second portion is disposed on the side opposite to the semiconductor element with respect to the first portion, and is sealed with the sealing resin so as to have an exposed surface that is recessed from the first portion and exposed from the sealing resin. The second base portion is arranged on the side opposite to the first portion with respect to the second portion of the first base portion and is recessed inward of the second portion. The cooling structure includes a peripheral wall portion. The peripheral wall part is provided with an opening into which the second base part is inserted. The peripheral wall portion surrounds an internal space communicating with the opening. The refrigerant is contained in the internal space of the cooling structure. The first seal member is arranged closer to the opening than the refrigerant. The first seal member seals the gap between the second base portion of the metal base plate and the peripheral wall portion of the cooling structure. The sealing resin enters the area where the first portion and the cooling structure face each other. The second base portion of the metal base plate projects from the exposed surface of the second portion to the side opposite to the first portion and is inserted into the internal space of the cooling structure. The second base portion of the metal base plate includes a side surface facing the peripheral wall portion. The peripheral wall portion of the cooling structure includes an inner wall facing the side surface of the second base portion of the metal base plate. The first seal member seals the gap between the side surface and the inner wall over the entire circumference of the peripheral wall portion. The semiconductor device further includes a second seal member. The second seal member is arranged in a region where the exposed surface and the cooling structure face each other. The second base portion includes a root portion and a tip portion. The root portion is arranged on the side opposite to the first portion with respect to the second portion. The root portion is recessed inward from the second portion. The tip portion is arranged on the side opposite to the second portion with respect to the root portion. The second seal member seals the gap between the exposed surface and the cooling structure over the entire circumference of the root portion. The first seal member seals the gap between the side surface of the tip portion and the inner wall over the entire circumference of the peripheral wall portion.
本発明の半導体装置によれば、第１シール部材は、周壁部の全周にわたって金属ベース板の第２ベース部の側面と冷却構造体の周壁部の内壁との間の隙間を封止している。このため、第１シール部材は、ねじ留めによる金属ベース板からの押しつけが低下した場合でも、金属ベース板と冷却構造体との間の隙間を封止することができる。また、封止樹脂が、金属ベース板の第１部分を封止しつつ第１部分と冷却構造体とが向かい合う領域に入り込んでいる。このため、封止樹脂が金属ベース板から剥離することを抑制できる。 According to the semiconductor device of the present invention, the first sealing member seals the gap between the side surface of the second base portion of the metal base plate and the inner wall of the peripheral wall portion of the cooling structure over the entire circumference of the peripheral wall portion. There is. Therefore, the first seal member can seal the gap between the metal base plate and the cooling structure even when the pressing force from the metal base plate due to screwing is reduced. Further, the sealing resin enters the area where the first portion and the cooling structure face each other while sealing the first portion of the metal base plate. Therefore, it is possible to prevent the sealing resin from peeling off from the metal base plate.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference symbols, and the overlapping description will not be repeated.
実施の形態１．
図１および図２を参照して本実施の形態１に係る半導体装置５０の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１に示されるように、半導体装置５０は、パワーモジュール１と、冷却構造体４と、冷媒５と、第１シール部材６とを備えている。半導体装置５０は、電力用のパワー半導体装置である。
The configuration of the
パワーモジュール１は、封止樹脂２と、金属ベース板３と、半導体素子１０と、絶縁層１１と、リードフレーム１２と、はんだ１３と、ボンディングワイヤ１４とを含んでいる。パワーモジュール１は、金属ベース板３の一部とリードフレーム１２の外部端子を除いて全体を封止樹脂２で封止されている。パワーモジュール１は、冷却構造体４にねじ留めなどによって上から押しつけるように取り付けられている。図１においては、半導体装置５０にパワーモジュールが１個備えられているが、半導体装置５０に複数のパワーモジュール１が備えられていてもよい。
The
半導体素子１０は、電力用のパワー半導体素子である。半導体素子１０は、リードフレーム１２とボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続されている。半導体素子１０とリードフレーム１２とは、ボンディングワイヤ１４に限らず、銅板などからなるダイレクトリードなどで接続されていてもよい。また、半導体素子１０とリードフレーム１２とは、焼結銀によって接続されていてもよい。半導体素子１０の材料は、珪素（Ｓｉ）に限ることはなく、高温の環境でも使用できる炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）などであってもよい。
The
リードフレーム１２は、例えば銅からなる。リードフレーム１２は、プレス加工などにより構成されている。また図１では、リードフレーム１２と絶縁層１１との絶縁沿面距離を確保するために、絶縁層１１の外周近傍では、リードフレーム１２にリードフレーム１２の厚さの半分程度を押し沈めた半抜加工が施されている。リードフレーム１２の形状は、図１の半抜加工による形状に限られることはなく、例えば、曲げ加工による形状でもよい。リードフレーム１２は、図１では、全体が一体となった構成であるが、電気的な回路が成立するように電極パターンごとに分離した構成でもよい。リードフレーム１２は、図示しない回路パターンおよび外部端子を備えている。リードフレーム１２の外部端子は、封止樹脂２から露出している。リードフレーム１２の表面に、はんだ１３により、半導体素子１０、ならびに、図示しないシャント抵抗およびサーミスタなどの電子部品が実装されている。
The
金属ベース板３は、第１ベース部３１と第２ベース部３２とを含んでいる。第１ベース部３１は、第１部分３１１と第２部分３１２とを有している。第１ベース部３１の第１部分３１１は、絶縁層１１と接触している。第１部分３１１は、封止樹脂２で封止されている。第２部分３１２は、第１部分３１１に対して半導体素子１０と反対側に配置されている。第２部分３１２は、第１部分３１１よりも内側に凹んでいる。第２部分３１２の一部は、封止樹脂２で封止されている。第２部分３１２は、封止樹脂２から露出する露出面３１２ｅを有している。つまり、第２部分３１２は、封止樹脂２から露出した露出面３１２ｅを有するように封止樹脂２で封止されている。第１ベース部３１の構造は、第１部分３１１の側面３１１ｓおよび底面３１１ｂならびに第２部分３１２の側面３１２ｓが封止樹脂２で封止され、露出面３１２ｅが露出する構造であればよい。
The
金属ベース板３の第２ベース部３２は、第２部分３１２に対して第１部分３１１と反対側に配置されている。第２ベース部３２は、第２部分３１２よりも内側に凹んでいる。また、第２ベース部３２は放熱フィン３２ｆを含んでいる。放熱フィン３２ｆは、第２ベース部３２の第２部分３１２と反対側の部分に配置されている。第２ベース部３２は、第２部分３１２の露出面３１２ｅから第１部分３１１と反対側に突き出している。第２ベース部３２は、冷却構造体４の内部空間４１に挿入されている。第２ベース部３２は、冷却構造体４の周壁部４２に向かい合う側面３２ｓを含んでいる。具体的には、第２ベース部３２は、後述する冷却構造体４の周壁部４２の内壁４２ｉと向かい合う側面３２ｓを含んでいる。
The
金属ベース板３は、第１ベース部３１の第１部分３１１と第２部分３１２との間、および、第２部分３１２と第２ベース部３２との間にそれぞれ段差を有している。第１部分３１１と第２部分３１２との間の段差は、封止樹脂２で覆われている。また、金属ベース板３は、第２ベース部３２の中央に対して第２部分３１２の反対側にさらに段差を有してもよい。第２部分３１２と第２ベース部３２との間の段差は、封止樹脂と接していない。
The
金属ベース板３は、封止樹脂２から露出した放熱フィン３２ｆを備えていることにより放熱性を向上させることが可能となる。金属ベース板３の材質には、アルミニウムおよび銅などの高い熱伝導性および高い放熱性を有する金属材料が用いられる。放熱フィン３２ｆは、平板フィンでもピン形状のフィンでもよい。放熱フィン３２ｆと冷媒５との放熱効率を考慮すると、ピン形状のフィンが多数設けられている構成が好ましい。また、金属ベース板３は、絶縁層１１と接触することにより金属基板としての機能を有している。
Since the
絶縁層１１は、金属ベース板３の第１部分３１１の上面３１１ｔと接触するように設けられている。絶縁層１１の材料には、放熱性を高めるための熱伝導性の高いフィラーが充填された、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられる。熱伝導性の高いフィラーには、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの無機粉末が単独で用いられ、またはこれらの複数を混合したものが用いられる。無機粉末のフィラーの充填された熱硬化樹脂製の絶縁層１１がより高い熱伝導性および絶縁性を得るためには、熱硬化性樹脂が高い圧力と高い温度の環境で硬化されることが望ましい。絶縁層１１の厚さは、１００μｍ以上３００以下μｍ程度である。絶縁層１１の厚さは、薄いと絶縁性が低下し、厚いと放熱性が低下する。このため、絶縁層１１の厚さは、必要な絶縁性および放熱性を考慮して適宜に決めてもよい。なお、樹脂製の絶縁層１１について説明しているが、絶縁層１１はこの構造に限らない。例えば、セラミックス基板が金属ベース板３にはんだ付けされている構造のものが用いられてもよい。
The insulating
封止樹脂２は、パワーモジュール１の外形を兼ねている。封止樹脂２は、パワーモジュール１のうち、金属ベース板３の一部と、半導体素子１０と、絶縁層１１と、リードフレーム１２の一部と、はんだ１３と、ボンディングワイヤ１４とをトランスファーモールド法によって封止している。封止樹脂２の覆う範囲は、図１に示されるように、金属ベース板３の露出面３１２ｅと第２ベース部３２とを除いたパワーモジュール１の全体を覆っている。つまり、封止樹脂２は、パワーモジュール１のうち、金属ベース板３の一部と、半導体素子１０と、絶縁層１１と、リードフレーム１２の一部と、はんだ１３と、ボンディングワイヤ１４とを覆っている。なお、金属ベース板３の露出面３１２ｅと放熱フィン３２ｆとリードフレーム１２の外部端子とは、封止樹脂２から露出している。封止樹脂２は、金属ベース板３の第１部分３１１と冷却構造体４とが向かい合う領域に入り込んでいる。具体的には、封止樹脂２は、金属ベース板３の第１部分３１１と後述する冷却構造体４の上面４ｔとが向かい合う領域に入り込むように構成されている。
The sealing
封止樹脂２は、例えばエポキシ樹脂系の樹脂である。封止樹脂２は、絶縁体である。封止樹脂２の硬化に伴う変形によって、パワーモジュール１が反りなどの変形をする。パワーモジュール１の変形を抑制するためには、封止樹脂２にシリカなどの無機粉末を充填することが好ましい。封止樹脂２に無機粉末が充填されることにより、封止樹脂２の熱膨張係数は、アルミニウム、銅、および半導体素子１０などのパワーモジュール１を構成する要素の線膨張係数を考慮して設定されることが好ましい。封止樹脂２の線膨張係数は具体的には、１２×１０−６（１／Ｋ）以上２０×１０−６（１／Ｋ）以下が好ましい。The sealing
冷却構造体４は、第１シール部材６を介して金属ベース板３と接している。冷却構造体４は、周壁部４２を含んでいる。周壁部４２には開口部４０が設けられている。内部空間４１は、開口部４０に連通している。開口部４０は、第２ベース部３２の外形よりも大きい開口を有している。第２ベース部３２は、開口部４０に挿入される。周壁部４２は、内部空間４１を取り囲んでいる。周壁部４２は、第２ベース部３２の側面３２ｓに向かい合う内壁４２ｉを含んでいる。内部空間４１は、周壁部４２に取り囲まれている。内部空間４１は、冷媒５と第２ベース部３２とを収容する。冷却構造体４は、上面４ｔを有する。
The
冷媒５は、液体の冷媒である。冷媒５は、冷却構造体４の内部空間４１に収容されている。冷媒５は、放熱フィン３２ｆと接触している。冷媒５は、放熱効率を高めるためには液体が望ましい。冷媒５は、代表的には水である。冷媒５は、第１シール部材６により内部空間４１から漏れることが抑制されている。
The
図１および図２に示されるように、第１シール部材６は、金属ベース板３と冷却構造体４とに挟まれるように配置されている。第１シール部材６は、冷媒５より開口部４０の近くに配置されている。第１シール部材６は、第２ベース部３２と周壁部４２との間を封止している。具体的には、第１シール部材６は、冷却構造体４の周壁部４２の全周にわたって、第２ベース部３２の側面３２ｓと冷却構造体４の内壁４２ｉとの間の隙間を封止している。第１シール部材６は、パワーモジュール１および冷却構造体４に密着している。第１シール部材６の下側部分は、冷却構造体４に収容された冷媒５に面している。第１シール部材６の上側部分は、冷媒５から露出している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第１シール部材は、金属ベース板３と冷却構造体４とに接している際には、圧縮されている状態となっている。これにより、冷媒５が冷却構造体４から漏れることが抑制される。また、これによりパワーモジュール１が冷却構造体４から抜けることが抑制される。第１シール部材６は、例えばＯリング、角パッキン、またはガスケットなどのゴム材料を第２ベース部３２に巻き付けたものでもよいし、第２ベース部３２にシリコーン系の室温硬化のシール材を塗布して硬化させたものでもよい。
The first seal member is in a compressed state when it is in contact with the
図３を参照して、第１シール部材６および金属ベース板３の構成をより詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体装置５０の金属ベース板３と第１シール部材６との構成を概略的に示す図１のＩＩＩ部分の拡大図である。なお、説明の便宜のために図３の上下左右のバランスは図１と整合していない。第１シール部材６がＯリングである場合、その断面は円となるため、第１シール部材６は、線径を有している。ただし、Ｏリングである第１シール部材６が圧縮されている場合、その断面は楕円となる。この場合、その楕円の短径を、第１シール部材６の線径とみなす。第１シール部材６の線径を、第１線径Ｄ６とする。The configurations of the
金属ベース板３の第２部分３１２は、露出面３１２ｅの外周端と内周端との間に第１幅Ｗ１を有している。第１幅Ｗ１は、第１シール部材６と露出面３１２ｅとが確実に接触する幅を確保するものとする。The
第１幅Ｗ１は、第１線径Ｄ６の１／２倍以上である。この場合、第１シール部材６は、露出面３１２ｅに確実に接する。この場合、露出面３１２ｅと第１シール部材６との接触性が高くなり、冷媒５が漏れることがより確実に抑制される。The first width W 1 is 1/2 times or more the first wire diameter D 6 . In this case, the
第１幅Ｗ１が、第１線径Ｄ６の１／２倍より小さい場合、第１シール部材６は、封止樹脂２、または封止樹脂２および露出面３１２ｅの境界線と接する。封止樹脂２を成型する際に、第２部分３１２の側面３１２ｓから露出面３１２ｅに入り込むように樹脂のバリが発生する可能性がある。樹脂のバリは、露出面３１２ｅの平坦性を損なう可能性がある。平坦性の不安定な面に第１シール部材６を押し当てる場合には、第１シール部材６による封止が損なわれる可能性がある。このため、樹脂のバリと第１シール部材６とは接触しないことが望ましい。したがって、第１幅Ｗ１は、第１線径Ｄ６の１／２倍に加え、さらに樹脂のバリの長さを考慮して設けられることが望ましい。本実施の形態においては、樹脂のバリの長さは、２ｍｍより小さい。When the first width W 1 is smaller than ½ times the first wire diameter D 6 , the
次に図４を参照して、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る半導体装置５０の製造方法を示すフローチャートである。本実施の形態における半導体装置５０の製造方法は、金属ベース板ユニット準備工程Ｓ１１と、第１シール部材６準備工程Ｓ１２と、配置工程Ｓ１３と、成型工程Ｓ１４と、固定工程Ｓ１５とを含んでいる。
Next, with reference to FIG. 4, a method of manufacturing the
図１および図４を参照して、金属ベース板ユニット準備工程Ｓ１１では、半導体素子１０と金属ベース板３とを含む金属ベース板ユニットが準備される。
1 and 4, in the metal base plate unit preparation step S11, a metal base plate unit including
本実施の形態においては、金属ベース板ユニット準備工程Ｓ１１では、金属ベース板３の上面３１１ｔに、エポキシ系樹脂からなる熱伝導性の高い樹脂組成物が塗布され、絶縁層１１が形成される。絶縁層１１は、シート状の樹脂組成物がプレスなどの加圧によって取り付けられて形成されてもよい。さらに、リードフレーム１２にはんだペーストが塗布される。半導体素子１０およびシャント抵抗などの電子部品が、はんだペーストの上にリフローなどによって実装される。このとき、電子部品の実装方法は、はんだペーストに限らない。例えばリードフレーム１２上に板はんだが供給され、リフローをされることで電子部品が実装されてもよい。さらに、半導体素子１０とリードフレーム１２とがボンディングワイヤ１４などにより電気的に接続される。
In the present embodiment, in the metal base plate unit preparation step S11, a resin composition having a high thermal conductivity made of an epoxy resin is applied to the
第１シール部材６準備工程Ｓ１２では、第１シール部材６が準備される。
図４および図５を参照して、配置工程Ｓ１３では、金属ベース板３の第２部分３１２が金型２０の第１底部（底部）２１ｂに第２部分３１２の全周にわたって接するよう、金属ベース板ユニットが金型２０に配置される。具体的には、露出面３１２ｅが、第１底部２１ｂに接する。金型２０は、第１収容部２１および第２収容部２２を有する。第２収容部２２は、第１収容部２１の第１底部２１ｂから凹んでいる。In the
Referring to FIGS. 4 and 5, in the arranging step S13, the
主に図５を参照して、配置工程Ｓ１３をより詳細に説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の配置工程Ｓ１３における金型２０と金属ベース板３との構成を概略的に示す断面図である。金属ベース板３の第１部分３１１が、金型２０の第１収容部２１に、成型工程Ｓ１４において封止樹脂２で封止されるよう配置される。この配置により、金属ベース板３は、金型２０の第１収容部２１と第２収容部２２とを空間的に隔てることができる。
The placement step S13 will be described in more detail mainly with reference to FIG. FIG. 5 is a sectional view schematically showing the configuration of the
放熱フィン３２ｆと第２収容部２２の第２底部２２ｂとが接触する場合、金属ベース板３と金型２０の第１底部２１ｂとの間に隙間が生じる可能性がある。この場合、封止樹脂２がこの隙間から第２収容部２２に流れ込むことで、露出面３１２ｅおよび第２ベース部３２が封止樹脂２から露出しない可能性がある。このため、金属ベース板３は、金型２０に、放熱フィン３２ｆと金型２０の第２底部２２ｂとの間に隙間ができるよう配置される。隙間が金属ベース板３の放熱フィン３２ｆの寸法公差より大きくなるように、金属ベース板３を金型２０に配置する。例えば放熱フィン３２ｆの寸法公差が±０．１ｍｍ程度ならば、隙間はその２倍の０．２ｍｍ程度とすれば十分である。
When the radiating
図１、図４および図６を参照して、成型工程Ｓ１４では、封止樹脂２が半導体素子１０と、前記第１部分３１１と、前記第１部分３１１と第１底部２１ｂとが向かい合う領域とを封止する。金型２０の第１収容部２１に封止樹脂２が流し込まれ、封止樹脂２が成型される。
With reference to FIG. 1, FIG. 4 and FIG. 6, in the molding step S14, the sealing
主に図６を参照して、成型工程Ｓ１４をより詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法の成型工程Ｓ１４における金型２０と金属ベース板３と封止樹脂２との構成を概略的に示す断面図である。金属ベース板３の露出面３１２ｅが金型２０の第１底部２１ｂに押しつけられることで、封止樹脂２が第２収容部２２に流れ込むことが抑制される。本実施の形態においては、パワーモジュール１のうち、リードフレーム１２の図示されない外部端子と、金属ベース板３の第１ベース部３１の第２部分３１２の露出面３１２ｅと、第２ベース部３２とが露出するようにパワーモジュール１が封止樹脂２で封止される。成型工程Ｓ１４を経て製造された半導体装置５０は、第２部分３１２の側面３１２ｓが封止樹脂に覆われている。
The molding step S14 will be described in more detail mainly with reference to FIG. FIG. 6 is a sectional view schematically showing the configuration of the
封止樹脂２が成型された後に、封止樹脂２が金型２０から取り出され、さらに硬化炉に投入されることで、封止樹脂２のアフターキュアが実施されてもよい。また、リードフレーム１２の外部端子に曲げ加工を施すために、プレス加工が行われてもよい。これにより、パワーモジュール１が構成される。
After the encapsulating
図１および図４を参照して、固定工程Ｓ１５では、第２ベース部３２の全周に接触するよう第１シール部材６が配置される。具体的には、第１シール部材６は、第２ベース部３２の側面３２ｓに配置される。さらに、冷却構造体４の開口部４０に第２ベース部３２が挿入される。冷却構造体４に、周壁部４２と第２ベース部３２とが第１シール部材６を介して全周にわたって接するよう、金属ベース板ユニットが固定される。具体的には、内壁４２ｉと第２ベース部３２の側面３２ｓとが、第１シール部材６を介して接する。この固定には、パワーモジュール１に設けたねじ穴を介したねじ留め構造が用いられてもよい。また、別途設けられた固定治具などによってパワーモジュール１の上から板状のもので押しつける構造が用いられてもよい。
With reference to FIGS. 1 and 4, in the fixing step S15, the
なお、固定工程Ｓ１５においては、第１シール部材６が側面３２ｓと内壁４２ｉとに接しているため、金属ベース板ユニットは、押し込まれながら取り付けられ、固定される。これにより、金属ベース板ユニットが固定された後に、金属ベース板ユニットが冷却構造体４から抜けにくい構造が得られる。
In the fixing step S15, since the
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態における半導体装置５０では、第１シール部材６は、周壁部４２の全周にわたって金属ベース板３の第２ベース部３２の側面３２ｓと冷却構造体４の周壁部４２との間の隙間を封止している。このため、第１シール部材６は、ねじ留めによる金属ベース板からの押しつけが低下した場合でも、金属ベース板３と冷却構造体４との間の隙間を封止することができる。また、封止樹脂２が、金属ベース板３の第１部分３１１を封止しつつ、第１部分３１１と冷却構造体４とが向かい合う領域に入り込んでいる。このため、封止樹脂２が金属ベース板３から剥離することを抑制できる。Next, the function and effect of this embodiment will be described.
In the
パワーモジュール１は、冷却構造体４に第１シール部材６を介して設置されている。第１シール部材６は、周壁部４２の全周にわたって内壁４２ｉと側面３２ｓとに接している。よって、冷却構造体４に収容された冷媒５が漏れることが抑制されるため、半導体装置５０の長期信頼性が向上する。例えば、シール部材が冷却構造体に金属ベース板によって上から押しつけられている場合、上からの押しつけが弱くなると、隙間が生じるため冷媒が漏れる。他方、本実施の形態においては、第１シール部材６は金属ベース板３の側面３２ｓで押しつけられている。よって、上からの押しつけが弱くなった場合でも、金属ベース板３と冷却構造体４との間に隙間は生じないため、冷媒５が漏れることが抑制される。
The
冷却構造体４の構造は、冷却構造体４の内壁４２ｉと第２ベース部の側面３２ｓとの間の隙間を第１シール部材６で封止できる構成であれば、特に限定されるものではない。図２では、冷却構造体４は、長方形で示されるが、長方形に限らず、例えば円でもよい。また、開口部４０の構造は、第２ベース部を挿入できるだけの掘り込みでよい。これにより、冷却構造体４は簡易な構造で対応できるため、製造コストを下げることができる。
The structure of the
第１シール部材６が圧縮性を有している場合、第１シール部材６は金属ベース板３と冷却構造体４により圧縮されるため、接触面積が大きくなる。これにより、金属ベース板３と冷却構造体４との間の摩擦が増加するため、金属ベース板３は冷却構造体４から抜けにくい構造となる。
When the
また、第１シール部材６が可塑性を有している場合、金属ベース板３と冷却構造体４との相対的な位置関係が変わった場合でも、第１シール部材６は追随して接触を維持できるため、冷媒５が漏れることが抑制される。
Further, when the
第１シール部材６は、金属ベース板３の第２ベース部３２の側面３２ｓと冷却構造体４の内壁４２ｉとの間に設けられる。このため、金属ベース板３と冷却構造体４との間に領域が確保される。冷媒５がこの領域を通ることにより、金属ベース板３から冷媒５への放熱性が確保される。この領域が狭いと、冷媒５の流動性が損なわれるため、放熱性が低下する。この領域が広いと、冷媒５の流動性が高まり、放熱性が向上する。
The
封止樹脂２は、金属ベース板３を抱え込むように成型されている。封止樹脂２が金属ベース板３から剥離する場合、第２部分３１２の側面３１２ｓを起点として封止樹脂２が剥離する。本実施の形態において、封止樹脂２は、金属ベース板３の第１部分３１１の底面３１１ｂに回り込んでいる。これにより、側面３１２ｓで封止樹脂２が剥離しても、底面３１１ｂに回り込んだ封止樹脂２が底面３１１ｂに接しているため、封止樹脂２が金属ベース板３から剥離することを抑制できる。また、側面３１２ｓを起点とした封止樹脂２の剥離が上面３１１ｔまで広がることを抑制できる。さらに、封止樹脂２が金属ベース板３から剥離した場合でも、この構造により、金属ベース板３が封止樹脂２から抜けないため、半導体装置５０の長期信頼性が向上する。封止樹脂２が金属ベース板３から剥離する原因には、温度サイクルなどの環境などがある。封止樹脂２が金属ベース板を抱え込むよう成型されるのであれば、金属ベース板３の第２部分３１２の構造は第１部分３１１に対して連続的に凹んでいる構造に限られない。第２部分３１２の構造は、第１部分３１１に体して部分的に凹んでいる構造でもよい。
The sealing
本実施の形態では、第１幅Ｗ１は、第１線径Ｄ６の１／２倍以上である。このため、露出面３１２ｅと第１シール部材６との接触性が高くなり、冷媒５が漏れることがより確実に抑制される。In the present embodiment, the first width W 1 is 1/2 times or more the first wire diameter D 6 . For this reason, the contact between the exposed
パワーモジュール１を冷却構造体４に第１シール部材６を用いて取り付けることで、金属ベース板３を冷却構造体４に固定するための応力を、ねじ留めのみにより金属ベース板３を冷却構造体４に固定するための応力よりも軽減できる。これにより、金属ベース板３の底面３１１ｂ側に回りこんだ封止樹脂２への応力を緩和できるため、封止樹脂２の剥離が抑制できる。
By attaching the
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、固定工程Ｓ１５において金属ベース板３に第１シール部材６が配置される際、第１シール部材６の位置が第２ベース部３２に這わせて決められる。これにより、半導体装置５０の製造性が向上する。
In the method of manufacturing the
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、トランスファーモールド法によって樹脂成型が行われる。この際、金属ベース板３の第２部分３１２の露出面３１２ｅが金型２０の第１底部２１ｂに、第２ベース部３２の全周にわたって押し当てられる。この工程によって、封止樹脂２が金型２０の第２収容部２２に流れ込むことが抑制される。よって、第２ベース部３２が封止樹脂２から露出したパワーモジュール１を製造することができるため、半導体装置５０の製造安定性が向上する。また、この製造方法によって製造された半導体装置５０は、第２部分３１２の側面３１２ｓが封止樹脂２で封止されているという特徴を有する。
In the method of manufacturing the
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、半導体装置５０に検査が実施されてもよい。検査の一例には、電気特性検査および電気絶縁試験などがある。本実施の形態の半導体装置５０では、パワーモジュール１を冷却構造体４から取り外すことができる。この構造により、不具合品を良品と交換する、いわゆるリワークが可能となる。冷却構造体４に少なくとも１つのパワーモジュール１が設置され配線などが行われた後に、半導体装置５０が検査される。パワーモジュール１に不具合が発見された場合、パワーモジュール１にリワークを行うことができる。例えば、半導体素子に炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたパワーモジュール１は、半導体素子に珪素（Ｓｉ）を用いたパワーモジュール１よりコストが高く、また、歩留まりが低い。この場合、本実施の形態の製造方法によれば、１つの冷却構造体４に複数のパワーモジュール１を取り付けた後でも、不具合の発生したパワーモジュール１に対して個別にリワークを行うことができる。これにより、半導体装置５０の製造において、半導体装置５０のコストを低下させることができる。また、これにより、半導体装置５０の生産性を向上させることができる。
In the method of manufacturing the
実施の形態２．
実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
The second embodiment has the same configuration, operation and effect as those of the first embodiment unless otherwise described. Therefore, the same components as those in the first embodiment described above are designated by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図７および図８を参照して、本発明の実施の形態２に係る半導体装置５０の構成について説明する。図７は、実施の形態２に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す断面図である。図８は、実施の形態２に係る半導体装置の冷却構造体４と第１シール部材６と第２シール部材７との位置関係を示す平面図である。本実施の形態に係る半導体装置５０は、第２シール部材７をさらに備える点および、金属ベース板３の第２ベース部３２が根元部３２１と先端部３２２をさらに含む点において、実施の形態１に係る半導体装置５０とは異なっている。
The configuration of the
本実施の形態に係る第２ベース部３２は、根元部３２１と先端部３２２とを含んでいる。根元部３２１は、第２部分３１２に対して第１部分３１１と反対側に配置されている。根元部３２１は、第２部分３１２より内側に凹んでいる。先端部３２２は、根元部３２１に対して第２部分３１２と反対側に配置されている。
The
本実施の形態に係る第１シール部材６は、先端部３２２の側面３２２ｓに設けられている。第１シール部材６は、周壁部４２の全周にわたって第２ベース部３２の先端部３２２の側面３２２ｓと冷却構造体４の内壁４２ｉとの間の隙間を封止している。
The
第２シール部材７は、冷却構造体４の露出面３１２ｅと冷却構造体４とが向かい合う領域に配置されている。第２シール部材７は、露出面３１２ｅと冷却構造体４との間の隙間を封止している。具体的には、第２シール部材７は、露出面３１２ｅと冷却構造体４の上面４ｔとの間を封止している。第２シール部材７は、少なくとも１つ以上配置され得る。第２シール部材７は、例えばＯリング、角パッキン、またはガスケットのようなゴム材料を根元部３２１に巻き付けたものでもよいし、根元部３２１にシリコーン系の室温硬化のシール材を塗布して硬化したものでもよい。
The
図９を参照して、本実施の形態に係る金属ベース板３および第２シール部材７をより詳細に説明する。図９は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を概略的に示す図７のＩＸ部分の拡大図である。なお、説明の便宜のために図９の上下左右のバランスは図７と整合していない。
With reference to FIG. 9, the
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に樹脂のバリが発生する可能性がある。第２シール部材７がＯリングである場合、その断面は円となるため、第２シール部材７は、第２線径Ｄ７を有している。ただし、Ｏリングである第２シール部材７が圧縮されている場合、断面は楕円となる。この場合、第２線径Ｄ７は、その楕円の短径である。Also in the present embodiment, resin burr may occur as in the first embodiment. When the
第１幅Ｗ１は、第２線径Ｄ７の１／２倍以上である。この場合、第２シール部材７は、露出面３１２ｅに確実に接する。また、露出面３１２ｅと第２シール部材７との接触性が高くなり、冷媒５の漏れることをより確実に抑制できる。The first width W 1 is 1/2 times or more the second wire diameter D 7 . In this case, the
第１幅Ｗ１が、第２線径Ｄ７の１／２倍より小さい場合、第２シール部材７は、封止樹脂２または封止樹脂２および露出面３１２ｅの境界線と接する。このため、実施の形態１と同様に、第１幅Ｗ１は、第２線径Ｄ７の１／２倍に加え、さらに樹脂のバリの長さを考慮して設けられることが望ましい。When the first width W 1 is smaller than ½ times the second wire diameter D 7 , the
根元部３２１は、根元部３２１の外周端と内周端との間に第２幅Ｗ２を有している。第２幅Ｗ２が第１シール部材６の第１線径Ｄ６より大きい場合、第１シール部材６を冷却構造体４の内壁４２ｉに接するように取り付けることは難しい。したがって、根元部３２１の第２幅Ｗ２は、第１線径Ｄ６以下である。The
本実施の形態における金属ベース板３は、第１ベース部３１の第１部分３１１と第２部分３１２との間と、第２部分３１２と根元部３２１との間と、根元部３２１と先端部３２２との間とにそれぞれ段差を有している。また、金属ベース板３は、先端部３２２に対して根元部３２１の反対側にさらに段差を有してもよい。この場合、その段差に別の第２シール部材７をさらに設けてもよい。
The
次に、図１０を参照して、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法について説明する。図１０は、実施の形態２に係る半導体装置５０の製造方法を示すフローチャートである。本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置５０の製造方法に加えて第２シール部材準備工程Ｓ１６をさらに含んでいる。
Next, with reference to FIG. 10, a method of manufacturing the
第２シール部材準備工程Ｓ１６では、第２シール部材７が準備される。
固定工程Ｓ１５では、第２シール部材７が、根元部３２１の全周にわたって根元部３２１を取り囲んでいる。第２シール部材７は、第２部分３１２と冷却構造体４とに接触するよう配置される。第２シール部材７を介して、第２部分３１２と冷却構造体４とが、根元部３２１の全周にわたって接する。具体的には、第２部分３１２の露出面３１２ｅと冷却構造体４の上面４ｔとが根元部３２１の全周にわたって接する。また、周壁部４２と先端部３２２とが先端部３２２の全周にわたって接する。In the second seal member preparing step S16, the
In the fixing step S15, the
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態では、半導体装置５０は第１シール部材６および第２シール部材７を備えている。このため、半導体装置５０は、冷媒５が漏れることを抑制できるシール部材を少なくとも２つ備えている。したがって、第１シール部材６および第２シール部材７のいずれかが劣化した場合でも、冷媒５が漏れることが抑制される。この構造により、半導体装置５０の長期信頼性が向上する。Next, the function and effect of this embodiment will be described.
In the present embodiment, the
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、固定工程Ｓ１５において、第１シール部材６を先端部３２２に沿って設置することができる。これにより、第１シール部材６の位置決めが簡便となり、半導体装置５０の生産性を向上させることができる。
In the manufacturing method of the
実施の形態３．
図１１〜図１６を参照して、本発明の実施の形態３に係る半導体装置５０を説明する。本実施の形態に係る半導体装置５０は、金属ベース板３の側面３２ｓおよび冷却構造体４の内壁４２ｉの少なくともいずれかが第１溝Ｇ１を有する点において、実施の形態１に係る半導体装置５０とは異なっている。
A
図１１は、本実施の形態に係る第１溝Ｇ１が冷却構造体４の内壁４２ｉに設けられていることを概略的に示す図１のＩＩＩ部分に対応する部分の断面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。図１１および図１２に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置５０の第１の構成では、冷却構造体４の内壁４２ｉは、第１溝Ｇ１を含んでいる。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a portion corresponding to the portion III in FIG. 1 schematically showing that the first groove G1 according to the present embodiment is provided in the
図１３は、本実施の形態に係る第１溝Ｇ１が金属ベース板３の側面３２ｓに設けられていることを概略的に示す図１のＩＩＩ部分に対応する部分の断面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。図１３および図１４に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置５０の第２の構成では、金属ベース板３の側面３２ｓは、第１溝Ｇ１を含んでいる。
FIG. 13 is a cross-sectional view of a portion corresponding to the portion III in FIG. 1 schematically showing that the first groove G1 according to the present embodiment is provided on the
図１５は、本実施の形態に係る第１溝Ｇ１が金属ベース板３の側面３２ｓおよび冷却構造体４の内壁４２ｉに設けられていることを概略的に示す図１のＩＩＩ部分に対応する部分の断面図である。図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。図１５および図１６に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置５０の第３の構成では、金属ベース板３の側面３２ｓおよび冷却構造体４の内壁４２ｉは、第１溝Ｇ１を含んでいる。
FIG. 15 is a portion corresponding to the portion III in FIG. 1 schematically showing that the first groove G1 according to the present embodiment is provided on the
本実施の形態においては、金属ベース板３の側面３２ｓおよび冷却構造体４の内壁の４２ｉの少なくともいずれかは、第１溝Ｇ１を含んでいる。第１溝Ｇ１は冷却構造体４の周壁部４２に沿って設けられている。
In the present embodiment, at least one of the
本実施の形態の第１シール部材６は、第１溝Ｇ１に入り込むように配置されている。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。The
Next, the function and effect of this embodiment will be described.
本実施の形態に係る半導体装置５０では、冷却構造体４に金属ベース板３が押し込まれる前に、第１溝Ｇ１に第１シール部材６がはめ込まれる。これにより、あらかじめ第１シール部材６の位置を決めることができる。したがって、金属ベース板３および第１溝Ｇ１にはめ込まれていない第１シール部材６を同時に押し込む実施の形態１に係る製造方法と比較して、半導体装置５０の生産性が向上する。
In the
金属ベース板３を、金型を用いて冷間鍛造および溶湯などによって製造する場合、第１溝Ｇ１を側面３２ｓに設けるためには、金属ベース板３を金型から外した後さらに、金属ベース板３に機械加工を実施することが必要となる。このため、第１溝Ｇ１を側面３２ｓに設けることは、半導体装置５０の製造コストの増加を招く可能性がある。他方、冷却構造体４では、開口部４０と、内部空間４１と、内壁４２ｉとが形成される工程と同時に第１溝Ｇ１を設けることが可能である。よって、第１溝Ｇ１を内壁４２ｉに設けることにより、第１溝Ｇ１が側面３２ｓに設けられる場合と比較して製造コストを抑制できる。冷却構造体４の内壁４２ｉのみが第１溝Ｇ１を有している場合でも、第１溝Ｇ１により第１シール部材６が取り付けられる位置を決めることができる。したがって、第１溝Ｇ１は内壁４２ｉのみに設けられていることが好ましい。
When the
第１シール部材６は、金属ベース板３の側面３２ｓと冷却構造体４の内壁４２ｉとの間で、第１溝Ｇ１に入り込むよう配置されている。これにより、第１シール部材６と金属ベース板３と冷却構造体４との相対位置が固定される。したがって、繰り返しの温度変化と振動によってねじ留めが緩んだ場合でも、金属ベース板３が冷却構造体４から抜けることが抑制される。
The
本実施の形態では、根元部３２１の第２幅Ｗ２は、第１線径Ｄ６以下であるため、第１シール部材６を冷却構造体４の内壁４２ｉに接するように取り付けることが容易である。In the present embodiment, since the second width W 2 of the
実施の形態４．
実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。Fourth Embodiment
The fourth embodiment has the same configuration, operation and effect as those of the second embodiment unless otherwise stated. Therefore, the same components as those in the second embodiment described above are designated by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図１７〜図１９を参照して、本発明の実施の形態４に係る半導体装置５０を説明する。図１７は、本実施の形態に係る半導体装置５０の構成を概略的に示し、図７のＩＸ部分に対応する部分の断面図である。図１８は、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。図１９は、図１７のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う断面図である。本実施の形態に係る半導体装置５０は、第２部分３１２が第２溝Ｇ２を有する点において、実施の形態２に係る半導体装置５０とは異なっている。
A
第２溝Ｇ２は、第２部分３１２の露出面３１２ｅの外周端と内周端との間に根元部３２１を取り囲むように設けられている。本実施の形態の金属ベース板３の第２部分３１２は、溝加工により形成された第２溝Ｇ２をさらに含む。第２部分３１２の露出面３１２ｅは、平坦にすることができる。
The second groove G2 is provided so as to surround the
本実施の形態の第２シール部材７は、露出面３１２ｅと冷却構造体の上面４ｔとの間の隙間に設けられている。第２シール部材７は、第２溝Ｇ２に入り込むように設けられている。
The
図２０を参照して、本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０を説明する。図２０は、本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の構成を概略的に示し、図７のＩＸ部分に対応する部分の断面図である。本実施の形態の変形例に係る封止樹脂２は、露出面３１２ｅと冷却構造体４とが向かい合う領域に入り込むように構成されている。封止樹脂２は、第２シール部材７と、第２シール部材７に対して第２ベース部３２と反対側で接する。
A
次に、本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法を説明する。本実施の形態における半導体装置５０の製造方法は、金属ベース板ユニット準備工程Ｓ１１と、第１シール部材６準備工程Ｓ１２と、第２シール部材準備工程Ｓ１６と、配置工程Ｓ１３と、成型工程Ｓ１４と、固定工程Ｓ１５とを含んでいる。上記の実施の形態２と同一の工程は、説明を繰り返さない。
Next, a method of manufacturing the
本実施の形態の変形例に係る配置工程Ｓ１３を、図２１を参照して詳細に説明する。図２１は、本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法の配置工程Ｓ１３における金型２０と金属ベース板３と第２シール部材７との構成を概略的に示す断面図である。配置工程Ｓ１３では、第２シール部材７が、第２溝Ｇ２に入り込むように配置される。金属ベース板３の第２部分３１２が、第１部分３１１の全周にわたり第２シール部材７を介して、金型の第１底部２１ｂと接するように配置される。この配置により、第２シール部材７は、金型２０の第１収容部２１と第２収容部２２とを空間的に隔てることができる。これにより、成型工程Ｓ１４において、封止樹脂２が第２収容部２２に漏れることが抑制される。
The arrangement step S13 according to the modified example of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
本実施の形態の変形例に係る成型工程Ｓ１４を、図２２を参照して詳細に説明する。図２２は、本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法の成型工程Ｓ１４における金型２０と封止樹脂２と金属ベース板３と第２シール部材７の構成を概略的に示す断面図である。封止樹脂２は、第２シール部材７の側面を封止するように流し込まれ、成型される。封止樹脂２がこのように成型された場合、図２２に示されるように、封止樹脂２は第２シール部材７と、第２シール部材７に対して第２ベース部３２と反対側で接する。封止樹脂２は、露出面３１２ｅと冷却構造体の上面４ｔとが向かい合う領域に入り込み、封止するように構成される。
The molding step S14 according to the modified example of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 22 schematically shows the configurations of the
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体装置５０では、第２溝Ｇ２に第２シール部材７が入り込むように配置されている。これにより、第２シール部材７の位置決めを容易に行うことができる。Next, the function and effect of this embodiment will be described.
In the
本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０では、封止樹脂２が、第１部分３１１の底面３１１ｂと冷却構造体４とが向かい合う領域に加えて、露出面３１２ｅと冷却構造体４とが向かい合う領域にさらに入り込むように構成される。この構成により、封止樹脂２が金属ベース板３から剥離することをさらに抑制できるため、半導体装置５０の長期信頼性が実施の形態１よりもさらに向上する。また、長期使用によって封止樹脂２が金属ベース板３から剥離した場合でも、金属ベース板３は封止樹脂２からさらに抜けにくい。
In the
第２部分３１２の平坦な露出面３１２ｅおよび露出面３１２ｅに配置される第２溝Ｇ２を有する金属ベース板３は、実施の形態２と同様に金型を用いて冷間鍛造および溶湯などによって製造されることができる。このため、第２溝Ｇ２を設けることは、実施の形態２と比べても、半導体装置５０の製造コストを抑制できる。
The
本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法では、配置工程Ｓ１３において、第２シール部材７は封止樹脂２により圧縮されていない。また、配置工程Ｓ１３では、金属ベース板３の放熱フィン３２ｆと金型２０の第２底部２２ｂとの間には、隙間がある。成型工程Ｓ１４における封止樹脂２の成型圧力による第２シール部材７の圧縮率を考慮することで、第２シール部材７の圧縮幅（圧縮される幅の量）を隙間より大きくすることができる。この場合、放熱フィン３２ｆは第２底部２２ｂと接触する。この状態であれば、封止樹脂２は第２収容部２２に漏れない。また、この状態では、金属ベース板３が金型２０の第１底部２１ｂおよび第２底部２２ｂに支持されている。この構造により、樹脂成型圧力が高い場合でも、金属ベース板３および絶縁層１１が変形することが抑制される。
In the method of manufacturing the
本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法では、成型工程Ｓ１４において、第２シール部材７は、封止樹脂２の成型圧力により圧縮され、第１底部２１ｂに押しつけられる。よって、第２シール部材７は、封止樹脂２が第２収容部２２に漏れることをより確実に抑制できる。したがって、第２ベース部３２がより確実に封止樹脂２から露出する。
In the method of manufacturing the
金属ベース板３の放熱性を向上させるため、絶縁層１１には熱伝導性フィラーが充填されている。また、熱伝導性フィラーは、絶縁層１１の熱伝導率および放熱性を向上させるために高い充填率で充填されている。絶縁層１１の絶縁性および放熱性を高めるためには、トランスファーモールド法において、高い樹脂成型圧力が求められる。本実施の形態の変形例に係る半導体装置５０の製造方法は、封止樹脂２が漏れることを抑制し、かつ、封止樹脂２の成型圧力を高くすることができる。このため、絶縁性および放熱性の高い半導体装置５０を製造できる。
In order to improve the heat dissipation of the
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から実施の形態４のいずれか１つにかかる半導体装置５０を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
In this embodiment, the
図２３は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 23 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to this embodiment is applied.
図２３に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
The power conversion system shown in FIG. 23 includes a
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２３に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
The
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
The
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１から実施の形態４のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
Hereinafter, the details of the
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
Further, the
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
The
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１から実施の形態４のいずれか１つにかかる半導体モジュールを適用するため、電力変換装置の信頼性向上を実現することができる。
In the power conversion device according to the present embodiment, the semiconductor module according to any one of the first to fourth embodiments is applied as the switching element and the freewheeling diode of the
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。 In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-level three-phase inverter has been described, but the present invention is not limited to this and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power conversion device is used, but a three-level or multi-level power conversion device may be used. When supplying power to a single-phase load, the present invention is applied to a single-phase inverter. It may be applied. Further, the present invention can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter when supplying electric power to a DC load or the like.
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。 Further, the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor, and for example, a power source for an electric discharge machine, a laser machine, an induction heating cooker, or a non-contact device power supply system. It can be used as a device, and can also be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, or the like.
また、上記の各実施の形態を適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。Further, the above-described respective embodiments can be combined appropriately.
The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
１ パワーモジュール、２ 封止樹脂、３ 金属ベース板、４ 冷却構造体、５ 冷媒、６ 第１シール部材、７ 第２シール部材、１０ 半導体素子、１１ 絶縁層、１２ リードフレーム、１３ はんだ、１４ ボンディングワイヤ、３１ 第１ベース部、３２ 第２ベース部、３２ｓ 第２ベース部の側面、４０ 開口部、４１ 内部空間、４２ 周壁部、４２ｉ 内壁、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷、３１１ 第１部分、３１２ 第２部分、３１２ｅ 露出面、３２１ 根元部、３２２ 先端部、３２２ｓ 先端部の側面、Ｇ１ 第１溝、Ｇ２ 第２溝。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
前記封止樹脂で封止された第１部分と、前記第１部分に対して前記半導体素子と反対側に配置され前記第１部分よりも内側に凹みかつ前記封止樹脂から露出した露出面を有するように前記封止樹脂で封止された第２部分とを有する第１ベース部と、前記第１ベース部の前記第２部分に対して前記第１部分と反対側に配置されかつ前記第２部分よりも内側に凹む第２ベース部とを含む金属ベース板と、
前記第２ベース部が挿入される開口部が設けられ、かつ前記開口部に連通する内部空間を取り囲む周壁部とを含む冷却構造体と、
前記金属ベース板の前記第２ベース部と前記冷却構造体の前記周壁部との間の隙間を封止する第１シール部材とを備え、
前記封止樹脂は、前記第１部分と前記冷却構造体とが向かい合う領域に入り込み、
前記金属ベース板の前記第２ベース部は、前記第２部分の前記露出面から前記第１部分と反対側に突き出し、前記冷却構造体の前記内部空間に挿入されており、かつ前記周壁部に向かい合う側面を含み、
前記冷却構造体の前記周壁部は、前記金属ベース板の前記第２ベース部の前記側面に向かい合う内壁を含み、
前記第１シール部材は、前記周壁部の全周にわたって前記側面と前記内壁との間の隙間を封止しており、
前記露出面と前記冷却構造体とが向かい合う領域に配置された第２シール部材をさらに備え、
前記第２ベース部は、前記第２部分に対して前記第１部分と反対側に配置されかつ前記第２部分より内側に凹む根元部と、前記根元部に対して前記第２部分と反対側に配置された先端部とを含み、
前記第２シール部材は、前記根元部の全周にわたって前記露出面と前記冷却構造体との間の隙間を封止し、
前記第１シール部材は、前記周壁部の全周にわたって前記先端部の前記側面と前記内壁との間の隙間を封止している、半導体装置。 Semiconductor element,
A sealing resin for sealing the semiconductor element,
A first portion sealed by the sealing resin, and an exposed surface which is arranged on the opposite side of the first portion from the semiconductor element and is recessed inward of the first portion and exposed from the sealing resin. A first base portion having a second portion sealed with the sealing resin so as to have, and a second portion of the first base portion which is arranged on the opposite side of the first portion and A metal base plate that includes a second base portion that is recessed inwardly of two parts;
A cooling structure including an opening into which the second base portion is inserted and including a peripheral wall portion surrounding an internal space communicating with the opening;
A first seal member that seals a gap between the second base portion of the metal base plate and the peripheral wall portion of the cooling structure;
The sealing resin enters an area where the first portion and the cooling structure face each other,
The second base portion of the metal base plate projects from the exposed surface of the second portion to the side opposite to the first portion, is inserted into the internal space of the cooling structure, and is attached to the peripheral wall portion. Including opposite sides,
The peripheral wall portion of the cooling structure includes an inner wall facing the side surface of the second base portion of the metal base plate,
The first seal member seals the gap between the side surface and the inner wall over the entire circumference of the peripheral wall portion ,
Further comprising a second seal member arranged in a region where the exposed surface and the cooling structure face each other,
The second base portion is disposed on a side opposite to the first portion with respect to the second portion, and has a root portion recessed inward from the second portion; and a side opposite to the second portion with respect to the root portion. Including a tip portion arranged at,
The second seal member seals a gap between the exposed surface and the cooling structure over the entire circumference of the root portion,
The semiconductor device, wherein the first sealing member seals a gap between the side surface of the tip portion and the inner wall over the entire circumference of the peripheral wall portion .
前記第１溝は前記周壁部に沿って設けられており、
前記第１シール部材が前記第１溝に入り込むように配置されている、請求項１に記載の半導体装置。 At least one of the side surface and the inner wall includes a first groove,
The first groove is provided along the peripheral wall portion,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first seal member is arranged so as to enter the first groove.
前記第１シール部材の線径の１／２倍以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。 The first width of the outer peripheral edge and the inner peripheral edge of the exposed surface,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the wire diameter is ½ times or more the wire diameter of the first seal member.
前記第１シール部材の線径以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。 The second width of the outer peripheral edge and the inner peripheral edge of the root portion,
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the diameter is equal to or smaller than the wire diameter of the first seal member.
前記第２溝は前記第２部分の外周端と内周端との間に前記根元部を取り囲むように設けられ、
前記第２シール部材が前記第２溝に入り込むように配置されている、請求項５に記載の半導体装置。 The second portion includes a second groove,
The second groove is provided so as to surround the root portion between an outer peripheral end and an inner peripheral end of the second portion,
The semiconductor device according to claim 5 , wherein the second seal member is arranged so as to enter the second groove.
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。 Having said semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, a main converter circuit for converting the power input,
A control circuit for outputting a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit;
Power conversion device equipped with.
第１シール部材を準備する、第１シール部材準備工程と、
第２シール部材を準備する、第２シール部材準備工程と、
前記第２部分が第１収容部と前記第１収容部の底部から凹む第２収容部とを有する金型の前記底部に前記第２部分の全周にわたって接するように、前記金属ベース板ユニットを前記金型に配置する配置工程と、
封止樹脂が、前記半導体素子と、前記第１部分と、前記第１部分と前記底部とが向かい合う領域とを封止することで、前記封止樹脂を成型する成型工程と、
前記第２ベース部の全周に接触するよう前記第１シール部材を配置し、前記第２ベース部が挿入される開口部が設けられ、かつ前記開口部に連通する内部空間を取り囲む周壁部を含む冷却構造体に、前記周壁部と前記第２ベース部とが前記第１シール部材を介して全周にわたって接するよう前記金属ベース板ユニットを固定する固定工程と、を備え、
前記第２ベース部が、前記第２部分に対して前記第１部分と反対側に配置されかつ前記第２部分より内側に凹む根元部と、前記根元部に対して前記第２部分と反対側に配置された先端部とを含み、
前記固定工程では、前記根元部の全周にわたって前記根元部を取り囲み、かつ前記第２部分と前記冷却構造体とに接触するよう前記第２シール部材が配置され、かつ前記周壁部と前記先端部とが前記先端部の全周にわたって接する、半導体装置の製造方法。 A first base portion having a semiconductor element, a first portion connected to the semiconductor element, and a second portion disposed on the opposite side of the first portion from the semiconductor element and recessed inward from the first portion. And a metal base plate including a second base portion that is disposed on the opposite side of the first portion with respect to the second portion and that is recessed inward of the second portion. Metal base plate unit preparation process,
A first seal member preparing step of preparing a first seal member,
A second seal member preparing step of preparing a second seal member;
The metal base plate unit is arranged so that the second portion is in contact with the bottom portion of the mold having the first accommodation portion and the second accommodation portion that is recessed from the bottom portion of the first accommodation portion over the entire circumference of the second portion. An arranging step of arranging in the mold,
A molding step in which the sealing resin seals the semiconductor element, the first portion, and a region where the first portion and the bottom face each other, thereby molding the sealing resin,
The first seal member is arranged so as to come into contact with the entire circumference of the second base portion, an opening for inserting the second base portion is provided, and a peripheral wall portion surrounding an internal space communicating with the opening is formed. A fixing step of fixing the metal base plate unit so that the peripheral wall portion and the second base portion are in contact with the cooling structure including the first seal member over the entire circumference ,
A base portion in which the second base portion is arranged on a side opposite to the first portion with respect to the second portion and is recessed inward from the second portion; and a side opposite to the second portion with respect to the root portion. Including a tip portion arranged at,
In the fixing step, the second seal member is arranged so as to surround the root portion over the entire circumference of the root portion and to contact the second portion and the cooling structure, and the peripheral wall portion and the tip portion. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein and are in contact with the entire circumference of the tip portion .
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